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1、第二章第二章 炉子传热原理炉子传热原理5.5.综综 合合 传传 热热 1一一.对流和辐射同时存在时的传热对流和辐射同时存在时的传热 na辐辐射换热系数w/(m2)na综合传热系数。2注：n（1 1）中中、高高温温电电阻阻炉炉和和真真空空电电炉炉：a辐辐为为主，主，a对对可忽略不计；可忽略不计；n（2 2）低低温温空空气气循循环环电电阻阻炉炉、盐盐浴浴炉炉：a对对为主，为主，a辐辐可忽略不计；可忽略不计；n（3 3）装装有有风风扇扇的的中中温温电电阻阻炉炉、燃燃料料炉炉：a综合。综合。3二二.炉墙的综合传热炉墙的综合传热 n炉内热量炉内侧炉外侧环境n（一）平壁炉墙传热 4n（二）复合炉墙的传热（
2、符合串并联定律）（二）复合炉墙的传热（符合串并联定律）5n（三）圆形壁炉墙三）圆形壁炉墙 6（四）减少热损炉墙采取措施（加大热阻）n1.增加炉墙厚度增加炉墙厚度R=/（F）；）；n2.采用采用小小、小小、比热容、比热容C小小的耐火保温材料。的耐火保温材料。nR，b（蓄热系数）蓄热小。蓄热系数）蓄热小。n推推荐荐：中中温温电电阻阻炉炉0.6g/cm3轻轻质质砖砖、泡泡沫沫砖砖；高高温温炉炉：0.806g/cm3高高铝铝砖砖砌砌耐耐火火层层。n3.改改变变炉炉墙墙结结构构：双双层层炉炉壳壳、空空心心砖砖炉炉墙墙结结构构；采采用用圆圆形形炉炉膛膛，外外表表面面积积缩缩小小14%左右。左右。7Than
3、k You for AttentionThank You for Attention8三.炉衬厚度计算 n在在设设计计三三层层炉炉墙墙时时，耐耐火火层层和和中中间间保保温温层层的的厚厚度度S S、S S，一一般般根根据据炉炉膛膛温温度度以以及及炉炉子子的的大大小小按按标标准准砖砖尺尺寸寸的的整整倍倍数数选选定定，而而炉炉墙墙内内、外外表表面面温温度度t t 和和t t4 4为为已已知知，那那么么剩剩下下的的只只需需计计算算确确定定满满足足此此规规定定T T4 4温温度度时时的的外外层层保保温温层层厚厚度度S S，以以及及未未知知的的界界面面温度温度t t 和和t t3 3值。值。n在在稳稳定定
4、传传热热时时，对对各各层层炉炉衬衬可可分分别别列出下述方程：列出下述方程：q=(t1-t2)+0.5b(t+t)/S (a)q=(t2-t3)+0.5b2(t2+t3)/S2 (b)q=(t3-t4)+0.5b3(t3+t4)/S3 (c)9 方方括括号号部部分分为为各各层层炉炉衬衬的的平平均均热热导导率率。由由式式 (a)(a)可直接解出未知的界面温度可直接解出未知的界面温度t t2 2的计算式的计算式 同理，由式同理，由式(b)(b)、可分别得可分别得t t3 3和和S S3 3的计算式的计算式 S3=(t3-t4)+0.5b3(t3+t4)计计算算的的顺顺序序应应该该是是：先先计计算算出
5、出t t2 2,再再计计算算t t3 3,最最后后算出保温层的厚度算出保温层的厚度S S3 3。10n例 设计某热处理中温炉的平壁炉墙（侧墙），已知炉膛温度为950，车间温度20，炉壳合理温度为60。耐火层用QN-0.6轻质粘火砖，厚度115mm。保温层为115mm的B级硅藻土砖，外层用矿渣棉，矿渣棉的体积密度0.2t/m3。试确定矿渣棉层的厚度及其界面温度。11解 由炉衬材料的热导率算式 QN-0.6轻 质 砖 1=0.165+0.19410-3 t W/（m）B级 硅 藻 土 砖 2=0.131+0.23 10-3 t W/（m）矿渣棉 3=0.07+0.16 10-3 t W/（m）故
6、01=0.165 b1=0.19410-3；2=0.131 b2=0.23 10-3 3=0.07 b3=0.16 10-3。当 t4=60时，由表2-12查得 =12.17 W/（m2）。故 q=12.17（60-20）=486.8（W/m2）。将上述数据代入式（2-70），先算出界面温度t2。12 再由式（2-71）计算t3由式（2-72）计算矿渣棉保温层的厚度 S3=（588-60）0.07+0.50.1610-3（588+60）=132mm13n下面进一步计算1m2面积侧墙的蓄热量。轻质粘土砖、硅藻土砖和矿渣棉在1m2面积侧墙上所占的重量分别为 G1=0.115600=69 Kg G2
7、=0.115550=63.3 Kg G3=0.132200=26.4 Kg它们的平均比热容分别为 C1=0.836+0.26310-3 0.5（950+782）=1.06 KJ/（Kg ）C2=0.837+0.25110-3 0.5（782+588）=1.0 KJ/（Kg ）C3=0.75 KJ/（Kg ）各层的畜热量 Q1=691.06（950+782）/2-20=61876 KJ，Q2=42095 KJ，Q3=6019 KJ 14n总畜热量 Q=109990 KJ上述炉墙若用体积密度为120Kg/m3的硅酸铝耐火纤维炉衬，它的平均导热率为m=0.032+0.21（tm/103）2=0.03
8、2+0.21（950+60）/（2103）2 =0.086 W/（m ）由此得全耐火纤维炉墙的厚度S=（950-60）0.086/486.8=157mm1m2面积炉墙的重量为18.8Kg，相应的畜热量Q=18.81.1（50+60）/2-20=10030KJ15 耐火纤维的平均比热容按1.1KJ/（Kg ）计算。由此可见，在上述条件下用耐火纤维炉衬代替砖彻炉衬后，炉衬的畜热量将减少近90%。因而在周期作业炉上使用耐火纤维炉衬可显著节能，并能大大缩短其空炉升温时间。例设计某热处理中温炉的平壁炉墙（侧墙），已知炉膛温度为950，车间温度20，炉壳外温度60。耐火层用QN-0.6轻质粘土砖，厚度11
9、5mm。保温层为115mm的B级硅藻土砖，外层用矿渣棉，其=0.2t/m3，试确定矿渣棉层的厚度及其界面温度。16解：已知 QN-0.6轻质砖 1=0.165+0.19410-3 t W/（m）B级硅藻土砖 2=0.131+0.23 10-3 t W/（m）矿渣棉 3=0.07+0.16 10-3 t W/（m）炉外壁与车间为对流换热 q=at=12.17(60-20)=486.8 (w/m2)S3=(t3-t4)+0.5b3(t3+t4)=132(mm)17另：再计算1m2面积侧墙的蓄热量。已知三层在1m2面积上所占重量分别为：G1=0.115600=69 Kg G2=0.115550=63
10、.3KgG3=0.132200=26.4Kg平均比热：C1=0.836+0.26310-30.5（950+782）=1.06 KJ/（Kg）C2=0.837+0.2510-3 t均=1.0 KJ/（Kg）C3=0.75 KJ/（Kg）各层蓄热：Q1=G1C1t=61876 KJ Q2=42095 KJ Q3=6019 KJ总畜热量：Q=109990 KJ18 上述炉墙若用=120 Kg/m3的硅酸铝耐火纤维单层炉衬，则m=0.032+0.21（tm/103）2 KJ/（Kg）=0.032+0.21（950+60）/21032=0.086 W/（m）=（950-60）0.086/486.8=15
11、7 mmG=18.8 Kg Q=10030 KJ（c=1.1KJ/（Kg）可见Q下降约90，.节能显著 .空炉升温 降低192.强制对流时的对流换热系数（1）气体沿平面流动时Vo4.65(m/s)光滑表面a=5.58+4.25voa=7.51vo 0.78轧制表面a=5.81+4.25voa=7.53vo 0.78粗糙表面a=6.16+4.49voa=7.94vo 0.7820注：VO为标准状态，若不是则换算VO=Vt 273/（273+t）（2）气流沿长形工件流动时 a=kvt 0.8 w/(m2)t:100 200 300 400 500 600K:4.81 4.19 3.74 3.37
12、3.20 3.09也有a=6.98+3.2Vt 0.8 w/(m2)(3).炉气在燃料炉内奚流动时 a=z vt 0.8/(d 0.2)kLkH2o w/(m2)式中：Vt-炉膛内炉气的实际流速（m/s）d-炉膛通道的水力学直径（m）z-炉气温度的系数 炉气温度（）600 800 1000 1200 1400 z 1.99 1.77 1.61 1.48 1.3921 kL-通道长度L与水力学直径d比值的系数L/d 2 5 10 15 20 30 40 50kL 1.40 1.24 1.14 1.09 1.07 1.04 1.02 1.00 kH2o-炉气中水蒸气含量的系数H2o 0 2 5 1
13、0 15 20 25 30kH2o 1.00 1.18 1.24 1.29 1.34 1.39 1.43 1.47(4)气流在通道内层流流动时 a=5.99/d (w/m2)-炉气的导热系数 （w/(m)）d-通道的水力学直径 22例3：设有一台空气循环电炉，循环空气温度为500，炉内加热扎制金属板面积为1m2，求当循环空气的实际流速分别为5、10和20m/s，金属板温度为100时的对流换热量。解：求VO，当Vt1=5m/s时 VO1=Vt273/（273+500）=1.8m/S同理：Vt2=10m/s，VO2=3.5m/s Vt3=20m/s，V03=7.1m/S设金属表面为扎制表面，代入相应公式：23 a1=13.46 w/(m2)a2=20.69 w/(m2)a3=34.73 w/(m2)因为q=a(500-100)=400a所以可得：q1=5384 w/m2 q2=8276 w/m2 q3=13892 w/m2注：（1）不同资料介绍的a值相差很大 （2）选用实验公式时，必须注意各公式应用 范围和条件。24